CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE Autoři: Ing. Michal KŮS, Ph.D., Západočeská univerzita v Plzni - Výzkumné centrum Nové technologie, e-mail: mks@ntc.zcu.cz Anotace: V článku je uvedeno porovnání dvou typů geometrického uspořádání voštin křížového výměníku tepla. Na prvním typu voštin (rovné) je odladěn výpočet potvrzený detailním experimentálním měřením. Sleduje se přestup tepla a tlakové ztráty. Druhý typ (žaluziové, prostřídané) pak slouží k ověření možnosti použít shodné nastavení výpočtu i pro jiné typy voštin. Annotation: This article is pointed to the comparison of two different lamellae part constructions for radiator type heat exchanger. The first type with straight lamellae is used for the CFD model tuning in comparison with experimental data. Mainly the heat transfer and pressure losses are monitored and compared. The second type with louvered lamellae is used for the verification of gained computational methods also for another lamellae configuration. Úvod Článek se věnuje numerickým výpočtům v CFD programu Fluent výměníku stlačeného vzduchu typu vzduch-vzduch. Pro korektní nastavení CFD výpočtu je třeba detailně znát okrajové podmínky simulovaného děje, které je možné získat jen experimentální cestou. Jelikož se jedná o detailní simulaci vybraného segmentu na chladiči, je zapotřebí provést i adekvátně detailní experimentální měření. Jedině po zadání takto naměřeních dat je možné nalézt správné nastavení výpočtu a následně přejít ke geometrickým variantám jednotlivých voštin Princip a postup Článek navazuje na publikaci [3]. Celý princip je popsán v [1]. Na obr.1 je rozšířené stručné schéma z [3]. Je rozšířeno o druhý typ voštin (žaluziové s prostřídáním viz obr.2), který je použit na ověření nastavení výpočtu. Lze předpokládat, že při drobných změnách geometrie, jako je třeba jiná rozteč voštin, výška či hloubka, budou nalezené parametry fungovat. Úkolem je ověřit zda shodný model turbulence, stěnové funkce atd. jako na rovných voštinách bude fungovat i pro zásadně odlišné geometrie. Zvolený typ voštin se používá u výměníků kde je třeba zvýšit součinitel přestupu tepla α. Na jednotlivých náběžných a odtokových hranách voštiny se α zvyšuje a díky natočení a 1
prostřídání se vzduch lepe promíchává. Důsledek toho je ale zvýšená tlaková ztráta. Pokud je však k dispozici dostatek přetlaku, výměník pak vychází menších rozměrů. experiment segment experiment celek reálný výměník CFD reálné segmenty CFD porézní výměník s korektními vlastnostmi CFD porézní segment CFD porézní výměník v tunelu Obrázek 1: Schéma postupu prací pohled po proudu vodorovný řez Obrázek 2: Geometrie voštin chladícího vzduchu Popis výpočtového modelu a okrajové podmínky Vytčený segment je výřez z chladiče o šířce dvanácti voštin pro chladící vzduch, výšce do poloviny sousedních kanálů a hloubce odpovídající skutečné hloubky výměníku. Doména chladícího vzduchu je vytažena před segment o 50 mm a za o 100 mm. Obrázek s popisem výpočtové oblasti je na Obr.2. Tloušťka stěny jednotlivých voštin pro chladící vzduch a kanály pro chlazený vzduch jsou podrobně namodelovány v reálné tloušťce. Geometrie modelu je natolik komplikovaná, proto jsou na celý model použity čtyřstěny. Jen vstupní a výstupní část je vytažena ve směru proudění prismatickými buňkami a trojúhelníkovou základnou. Celý model je díky tomu velice robustní. Má 12.7 mil. buněk. Nejhorší buňka má skosení 0,91. Okrajové podmínky jsou zobrazeny na obr. 3. Na periodických stěnách je definována periodicita, na ostatních stěnách ohraničující vybraný segment je symetrie. Vstup chladícího 2
vzduchu je definován hmotnostním průtokem, výstup tlakovou podmínkou. Strana chlazeného média je nahrazena okrajovou podmínkou teplota na stěně. Jelikož záměrem je sledovat vliv geometrie voštin chladícího vzduchu, vnitřní zástavba kanálů chlazeného média je záměrně odebrána. chladící vzduch (pressure-outlet) definována teplota na stěně chladící vzduch (temperature-profil) (mass-flow inlet) Obrázek 3: Okrajové podmínky výpočtového modelu Stanovením teploty vnitřní stěny kanálu chlazeného vzduchu simulujeme podmínky, které byly při simulacích a měření na segmentu s rovnými voštinami. Na stěnu je definována teploty 45 C (viz obr. 4) a je sledován průběh teploty v kanálu chladícího vzduchu. Ostatní nastavení okrajových podmínek je identické jako u výpočtů s rovnými voštinami [3]. Obrázek 4: Průběh teploty po výšce segmentu pro rovné voštiny z [3]. 3
Výsledky simulace Sledovaným kritériem je průběh teploty po výšce a délce segmentu. Srovnání žaluziových a rovných voštin je na následujícím obrázku 5. Bloky v pravém obrázku znázorňují hloubku výměníku. Jak na svislé tak i podélné lince je patrný vyšší přenos tepla. Teplota vzduchu v kanálu je vyšší i výstupní teploty za výměníkem je vyšší. Obrázek 5: Porovnání průběhu teploty po výšce (vlevo) a délce (vpravo) segmentu. V grafu na obr.6 je vynesen součinitel přestupu tepla α na voštinách ve vodorovném řezu (viz obr.2). Vlevo je průběh po celé hloubce výměníku, vpravo je detailní výřez na jednotlivé lamely. Patrný je velký nárůst součinitele na náběžné hraně, podél rovného úseku voštiny α klesne a na odtrhové hraně opět mírně vzroste. Tento jev se vyskytuje na rovných voštinách jen jednou, kdežto na žaluziových voštinách se opakuje s každou lamelou. Integrální hodnota α po celé ploše tímto vzrůstá. Obrázek 6: Průběh součinitele přestupu tepla α na žaluziové voštině ve vodorovném řezu. 4
Obrázek 6: Porovnání kontury teploty pro oba typy voštin. Obrázek 7: Vektory rychlostí žaluziovými voštinami Obrázek 7: Vektory rychlostí žaluziovými voštinami obarvené podle teploty. 5
Zhodnocení výsledků simulací Žaluziové voštiny vykazují vyšší přestup tepla do chladícího vzduchu. Pro ověření správnosti výsledku numerické simulace je zapotřebí provést detailní měření jako tomu bylo u výměníku s rovnými voštinami. Tím bude ověřena správnost nastavení a bude možné přikročit k simulaci celého výměníku. Poděkování Tento článek vznikl za finančního přispění GAČR v rámci projektu postdoktorského grantu 101/08/P356. LITERATURA: [1] KŮS M., 2009: Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla, Konference ANSYS 2009, Praha : Arcadiea,, s. 259-264. ISBN 978-80-254-5437-4 [2] Kůs M., 2010: Měření a CFD simulace ve voštinovém kanálu mezichladiče stlačeného vzduchu, Aplikácia experimentálnych a numerických metód v mechanike tekutín a energetike, Žilina : Žilinská univerzita v Žilině, s. 167-172. ISBN 978-80-554-0189-8 [3] Kůs M., 2010: CFD simulace ve voštinovém kanálu chladiče LLK, XXIX. Setkání kateder mechaniky tekutin a termomechaniky, s. 165-168, ISBN 978-80-248-2244-0 [4] Bejan A., Kraus A. D., 2003: Heat transfer handbook, USA [5] T. Kuppan, 2000: Heat exchanger design handbook 6